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软X射线自支撑闪耀透射光栅的制作

作　者: 陈勇
导　师: 付绍军
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 核能科学与工程
关键词: 软X射线自支撑闪耀透射光栅 SOI 全息光刻各向异性湿法刻蚀
分类号: TN25
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

作为一种新型的透射光栅,自支撑闪耀透射光栅集中了透射和反射光栅的优点,同时避免它们的缺点,在激光惯性约束核聚变(ICF)、 X射线天体物理、x射线相衬成像等领域有着广泛的应用前景。自支撑闪耀透射光栅制作工艺程序繁多,制作难度高,不易实现量产,因此对其制备技术的探索与研究非常必要。本课题的目的是掌握自支撑闪耀透射光栅的制作工艺,并制作出自支撑闪耀透射光栅。论文的主要内容包括：1.单晶硅各向异性湿法刻蚀研究。对各向异性湿法刻蚀制作自支撑闪耀透射光栅进行了分析,得出了确保工艺宽容度及实验成功率的必要条件：较高的晶向对准精度、较大的(110)晶面与(111)晶面腐蚀速率比以及湿法刻蚀光栅掩模占宽比。因此湿法刻蚀制作光栅的关键在于较大的腐蚀速率比和良好的刻蚀速率均匀性,通过理论分析及分组实验,最终得到了合适的腐蚀条件。2.晶向对准技术研究。根据实验室现有条件,设计了全息光刻制作光刻胶光栅掩模中全息干涉条纹与基片上(111)晶面对准技术。我们引入了两种线密度的参考光栅将整个晶向对准过程分为四步：晶向标定、标定晶向与低线密度参考光栅的对准、高线密度参考光栅与全息干涉条纹的对准以及两种线密度参考光栅之间的对准。根据晶向标定方法的不同,晶向对准技术分为两种：六边形对准法和扇形对准法。相比起六边形对准方法,扇形对准方法对准图形尺度更大,显得更有优势。3.增大光栅掩模占宽比的研究。通过lift-off光刻胶、驻波法分别实现了光刻胶的顶层外悬结构,然后利用剥离工艺将光刻胶光栅转换成金属光栅图形,实现了光栅掩模占宽比的增大。另外,通过真空热蒸发倾斜镀铝使光刻胶光栅线条顶部展宽,同样实现了光栅掩模占宽比的增大。4.对自支撑闪耀透射光栅的制作工艺进行了较为全面的实验研究,制作出了周期1μm、占宽比约0.13、栅线高10μm、有效面积比60%和周期500nm、占宽比0.34、栅线高5μm、有效面积比62%的自支撑闪耀透射光栅。单元尺寸为15mmm×15mm的硅绝缘体上含有四个5mm×5mm的自支撑闪耀透射光栅窗口。在国家同步辐射实验室检测了1000线／毫米光栅在5-50nm波长范围内的衍射效率,探测器扫描结果表明,在光栅线条侧壁反射方向上有明显的闪耀效应,闪耀级次位置及其特征与标量理论预测的一致；衍射效率的实测结果也基本与理论模拟符合,只是因光栅结构上的缺陷使衍射效率偏低,峰值只有理论值的38-53%。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第一章绪论  12-22
  1.1 引言  12
  1.2 自支撑闪耀透射光栅  12-16
    1.2.1 工作原理  13-14
    1.2.2 特点  14
    1.2.3 MIT的研究进展  14-16
  1.3 单晶硅各向异性湿法刻蚀制作闪耀透射光栅  16-21
    1.3.1 (110)单晶硅的性质及特点  16-17
    1.3.2 SOI硅片  17
    1.3.3 制作方法简介  17-21
  1.4 选题意义与内容安排  21-22
第二章闪耀透射光栅的基本理论  22-36
  2.1 引言  22
  2.2 基本原理  22-23
  2.3 严格耦合波分析  23-27
    2.3.1 TE偏振光  24-27
    2.3.2 TM偏振光  27
  2.4 光栅参数设计  27-33
    2.4.1 根据基本原理确定光栅参数  27-29
    2.4.2 衍射效率模拟结果与讨论  29-33
  2.5 本章小结  33-36
第三章单晶硅各向异性湿法刻蚀  36-48
  3.1 引言  36
  3.2 腐蚀剂  36-37
  3.3 腐蚀机理  37-38
  3.4 湿法刻蚀光栅制作工艺  38-47
    3.4.1 湿法刻蚀光栅模型  38-40
    3.4.2 影响光栅质量的主要因素  40-47
  3.5 本章小结  47-48
第四章晶向对准  48-64
  4.1 引言  48-49
  4.2 晶向标定  49-55
    4.2.1 原理  50-51
    4.2.2 工艺  51-52
    4.2.3 实验结果讨论  52-55
  4.3 标定晶向与低线密度参考光栅的对准  55-58
  4.4 高线密度参考光栅与全息光刻干涉条纹对准  58-61
    4.4.1 原理-莫尔条纹  58-59
    4.4.2 对准过程  59-60
    4.4.3 误差分析  60-61
  4.5 低线密度参考光栅与高线密度参考光栅对准  61-62
  4.6 实验结果  62-63
  4.7 本章小结  63-64
第五章增大光栅掩模占宽比  64-76
  5.1 引言  64
  5.2 lift-off工艺  64-70
    5.2.1 氯苯浸泡  65-67
    5.2.2 lift-off光刻胶  67-68
    5.2.3 驻波效应  68-70
  5.3 倾斜镀膜法  70-75
    5.3.1 离子束溅射镀膜  71-72
    5.3.2 真空蒸发镀膜  72-75
  5.4 本章小结  75-76
第六章自支撑闪耀透射光栅的制作  76-90
  6.1 引言  76
  6.2 SOI基片及检测  76-77
  6.3 光栅制作工艺流程  77-79
  6.4 实验结果及讨论  79-89
    6.4.1 自支撑结构掩模制备  81-83
    6.4.2 光栅掩模制备  83-85
    6.4.3 衬底的去除  85-86
    6.4.4 湿法刻蚀  86-87
    6.4.5 超临界干燥  87-89
  6.5 本章小结  89-90
第七章闪耀透射光栅的效率测量  90-96
  7.1 引言  90
  7.2 测量方法  90-92
    7.2.1 测量装置  90-91
    7.2.2 测量光路及方法  91-92
  7.3 测量结果及分析  92-95
  7.4 本章小结  95-96
第八章总结与展望  96-98
  8.1 论文的工作总结  96-97
  8.2 论文的主要创新点  97
  8.3 展望  97-98
参考文献  98-110
作者攻读博士学位期间发表的论文  110-112
致谢  112

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